盛 利 王 瀚

（1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州 510095；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

引 言

DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)的電站要求采用冗余的設(shè)計(jì)以滿足安全性、可靠性，發(fā)電機(jī)和推進(jìn)器分別連接到3個(gè)或4個(gè)配電板上形成多個(gè)分組，配電板之間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)以組成不同分段模式。DP-3船舶在動(dòng)力定位模式下，每個(gè)主配電板之間相互隔離，避免單一配電板的故障影響到其他配電板，每個(gè)配電板上至少有一臺(tái)發(fā)電機(jī)在線。在普通氣象條件下，大部分時(shí)間中發(fā)電機(jī)的負(fù)荷都低于30%，柴油機(jī)效率低，油耗高。

為了節(jié)能減排，節(jié)約運(yùn)營成本，近年來閉環(huán)電網(wǎng)開始應(yīng)用于DP-3鉆井平臺(tái)上。相比傳統(tǒng)電網(wǎng)，閉環(huán)電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)共享負(fù)載，減少運(yùn)行發(fā)電機(jī)的數(shù)量，增加發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，提高運(yùn)行效率，節(jié)約燃油和滑油，減少發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間。為了迎合市場(chǎng)的需求，各船級(jí)社先后發(fā)布了閉環(huán)電網(wǎng)技術(shù)的指導(dǎo)意見，一些公司也相繼開發(fā)出閉環(huán)電網(wǎng)的產(chǎn)品并在實(shí)船上應(yīng)用。目前閉環(huán)電站在DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)上的應(yīng)用已日趨成熟，新建項(xiàng)目大多考慮閉環(huán)系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)的船舶也考慮進(jìn)行改造。本文將就閉環(huán)電網(wǎng)的特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析。

1 研究現(xiàn)狀

閉環(huán)電網(wǎng)為多個(gè)配電板通過母聯(lián)開關(guān)和電纜互聯(lián)組成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于對(duì)電力系統(tǒng)可靠性要求較高的動(dòng)力定位船舶上。挪威船級(jí)社（DNV·GL）和美國船級(jí)社（ABS）較早對(duì)船舶閉環(huán)電站提出了基本的技術(shù)要求。由于技術(shù)的原因，閉環(huán)電站開始只應(yīng)用在DP-2船舶上。直到2006年國際海事組織（IMO）通過了RESOLUTION 645決議，指出在不影響平臺(tái)安全運(yùn)行的前提下，DP-3動(dòng)力定位平臺(tái)可以采用閉環(huán)電網(wǎng)。

挪威船級(jí)社在《DP-3 Vessel with Closed Bustie January 10，2013》中對(duì)閉環(huán)電站設(shè)計(jì)提出包括配電板保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、短路仿真和實(shí)船短路試驗(yàn)等方面的具體要求。2015年，挪威船級(jí)社發(fā)布的指導(dǎo)文件《DNVGL-OTG-10 DP-classed vessels with closed bus-ties》進(jìn)一步對(duì)DP-3閉環(huán)電網(wǎng)設(shè)計(jì)提供更詳細(xì)的指導(dǎo)。

為了減少DP-3鉆井平臺(tái)運(yùn)營成本，鉆井承包商往往會(huì)對(duì)鉆井平臺(tái)的電網(wǎng)設(shè)計(jì)提出節(jié)能要求，為此，SIEMENS、ABB、AKA、GE等知名公司都針對(duì)船級(jí)社要求提出自己的解決方案。

國外實(shí)船應(yīng)用方面，2011年韓國現(xiàn)代船廠建造的“Deepwater Champion”深水鉆井船，采用了DP-3閉環(huán)電網(wǎng)并成功完成了實(shí)船短路試驗(yàn)。國內(nèi)實(shí)船應(yīng)用方面，2012年煙臺(tái)來福士建造的“藍(lán)鯨2號(hào)”深水鉆井平臺(tái)和2015年大連船廠建造的“海洋石油982”深水鉆井平臺(tái)，均采用了DP-3閉環(huán)電網(wǎng)并完成了短路試驗(yàn)，目前兩個(gè)平臺(tái)都在南海鉆井作業(yè)，運(yùn)行良好。

2 閉環(huán)電網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 節(jié)能減排

DP-3動(dòng)力定位平臺(tái)的發(fā)電機(jī)、配電板、推進(jìn)器及其輔助系統(tǒng)被分成多個(gè)組（以分3組為例，如圖1所示），各組配電板之間通過母聯(lián)開關(guān)互聯(lián)，各組之間由A60艙壁分割。在動(dòng)力定位模式下，為避免動(dòng)力定位工況下的故障影響到相鄰配電板，電網(wǎng)必須分成3段運(yùn)行，且每段配電板上至少有1臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行。即使在2臺(tái)發(fā)電機(jī)能滿足負(fù)載要求的情況下，也必須有3臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，這樣就多出1臺(tái)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)。

圖1 DP-3電力系統(tǒng)

電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行時(shí)所有的在網(wǎng)發(fā)電機(jī)均分負(fù)載，也不需要每個(gè)配電板或機(jī)艙有發(fā)電機(jī)運(yùn)行。動(dòng)力定位模式時(shí)，大部分環(huán)境條件下發(fā)電機(jī)的負(fù)載都較小，閉環(huán)電網(wǎng)允許只運(yùn)行2臺(tái)發(fā)電機(jī)，因此可以減少1臺(tái)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)。一方面增加單臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率，提升發(fā)電機(jī)的功率/油耗比（如下頁圖2所示），進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)的效率、節(jié)約燃油、減少排放。另外，減少發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間也有助于減少潤滑油消耗，減少維護(hù)保養(yǎng)和更換配件所需的費(fèi)用。

圖2 發(fā)電機(jī)油耗率

2.2 高可靠性

（1）耐沖擊能力強(qiáng)，減少電網(wǎng)的波動(dòng)。閉環(huán)電網(wǎng)中所有的發(fā)電機(jī)都在1個(gè)分段中共享負(fù)載，相對(duì)電網(wǎng)分段運(yùn)行的狀態(tài)，電網(wǎng)的總?cè)萘恳蠛芏啵瑧?yīng)對(duì)由大負(fù)荷的突加、突降所導(dǎo)致的沖擊能力強(qiáng)，使電網(wǎng)更加穩(wěn)定，魯棒性好。

（2）改善電站的諧波。當(dāng)閉環(huán)運(yùn)行的時(shí)候，對(duì)在不同的配電板上的變壓器，采用移相變壓器可抵消電網(wǎng)中的部分諧波分量，有效減少電網(wǎng)中的總諧波數(shù)，改善電網(wǎng)品質(zhì)。

（3）可改善電站有功和無功的分配能力。電網(wǎng)分段運(yùn)行時(shí)，每段配電板上負(fù)載的差異可導(dǎo)致運(yùn)行發(fā)電機(jī)的負(fù)載不同，有的配電板負(fù)載較小，而有的配電板負(fù)載較大，甚至需要運(yùn)行2臺(tái)發(fā)電機(jī)，負(fù)載的分配非常不平衡。電網(wǎng)運(yùn)行在閉環(huán)時(shí)，所有的發(fā)電機(jī)都均分負(fù)載，可以改善有功和無功的分配。

（4）電站系統(tǒng)有更強(qiáng)的冗余度和冗錯(cuò)能力。當(dāng)電網(wǎng)允許在閉環(huán)下運(yùn)行時(shí)，要求能夠達(dá)到與分段運(yùn)行相同的冗余和容錯(cuò)能力。電站系統(tǒng)的智能保護(hù)設(shè)備之間建立可靠快速的通信，主要保護(hù)采用閉鎖的方式，選擇性保護(hù)作為后備，能夠減少誤動(dòng)，縮短故障切除的時(shí)間；具備更加完善的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力和自診斷能力，并為隱藏故障配置后備保護(hù)。

（5）采用增強(qiáng)保護(hù)措施和發(fā)電機(jī)高級(jí)保護(hù)功能，能夠根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)判斷發(fā)電機(jī)的故障，及時(shí)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)停止故障機(jī)，保障電站穩(wěn)定可靠運(yùn)行。另外，電網(wǎng)分段運(yùn)行時(shí)如果某段上的發(fā)電機(jī)故障，將直接導(dǎo)致該母排失電，但是閉環(huán)電網(wǎng)則可以避免。

2.3 高靈活性

采用閉環(huán)電網(wǎng)設(shè)計(jì)能夠使電站有更高的靈活性。閉環(huán)電網(wǎng)不再需要每個(gè)配電板上必須有發(fā)電機(jī)運(yùn)行，因此可以根據(jù)需要在不同的機(jī)艙中運(yùn)行不同的發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)各種組合方式，靈活地調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)間。在某個(gè)機(jī)艙中維保發(fā)電機(jī)時(shí)，可以將該機(jī)艙發(fā)電機(jī)全部停止，方便發(fā)電機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，降低噪聲，利于船員健康。

3 閉環(huán)電網(wǎng)技術(shù)難點(diǎn)

當(dāng)電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行的時(shí)候，所有發(fā)電機(jī)等同與運(yùn)行在同一母排上，每個(gè)配電板之間不再相互獨(dú)立，一段配電板的故障將會(huì)影響到與之互聯(lián)的所有配電板。如果電網(wǎng)僅采用傳統(tǒng)的繼電保護(hù)措施，最嚴(yán)重的后果將可能導(dǎo)致超過一個(gè)配電板失電，甚至全船斷電。這是DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)所不允許的。

3.1 配電板母排短路故障

在母排互聯(lián)情況下，當(dāng)某個(gè)母排發(fā)生短路時(shí)，傳統(tǒng)中壓配電板的上下級(jí)選擇性保護(hù)將不能區(qū)分故障母排并通過分?jǐn)嗄嘎?lián)開關(guān)將故障切除。短路故障時(shí)，環(huán)網(wǎng)上所有的發(fā)電機(jī)開關(guān)因過流或三相不平衡而跳閘。同時(shí)，中壓母排短路過程中會(huì)引起配電板瞬時(shí)的低電壓，使所有負(fù)載斷路器欠壓保護(hù)動(dòng)作而分閘。中壓主配電板的瞬時(shí)電壓降也會(huì)引起低壓配電板上的負(fù)載開關(guān)欠壓脫扣，所有與DP以及發(fā)電機(jī)相關(guān)的輔助系統(tǒng)停止工作，推進(jìn)器變頻器也將因低電壓而停機(jī)。母聯(lián)電纜發(fā)生短路故障時(shí)，其后果類似于母排短路。

3.2 母排接地故障

鉆井平臺(tái)中壓系統(tǒng)一般采用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)高阻接地或者中壓配電板通過接地變壓器高阻接地。配電板在閉環(huán)運(yùn)行模式發(fā)生母排接地故障時(shí)，傳統(tǒng)的保護(hù)將不能判斷故障點(diǎn)并將其隔離，電網(wǎng)將繼續(xù)帶病運(yùn)行。單向母排故障將會(huì)導(dǎo)致對(duì)地電壓升高損壞絕緣，且當(dāng)有另外一相發(fā)生接地時(shí)會(huì)導(dǎo)致相間短路故障，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。如果母聯(lián)電纜發(fā)生接地故障，其結(jié)果與母排接地類似。

3.3 配電板隱藏的故障

電站中某些故障不能被檢測(cè)被稱為隱藏故障。當(dāng)中壓配電板負(fù)載側(cè)發(fā)生短路、接地等故障時(shí)，負(fù)載開關(guān)的綜合保護(hù)將會(huì)控制斷路器跳閘，第一時(shí)間將故障切除。但是如果由于機(jī)械故障、分閘線圈故障或其他故障導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)時(shí)，該故障等同于母排發(fā)生故障，將會(huì)影響閉環(huán)電站上所有的在線發(fā)電機(jī)，并可能導(dǎo)致全船斷電。

3.4 發(fā)電機(jī)故障

通常為發(fā)電機(jī)與調(diào)速相關(guān)的故障。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)調(diào)速器故障，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械故障、信號(hào)反饋故障）、燃油濾器阻塞、燃油泵故障、壓力調(diào)節(jié)閥門故障或者進(jìn)氣不充分等情況時(shí)候，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出功率與預(yù)期的功率有所不同，單機(jī)時(shí)會(huì)導(dǎo)致過頻率或者欠頻率的故障。當(dāng)多臺(tái)發(fā)電機(jī)同步并網(wǎng)在線運(yùn)行時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)有功分配的問題，將會(huì)使正常的發(fā)電機(jī)發(fā)生過載或者逆功率運(yùn)行，導(dǎo)致正常發(fā)電機(jī)停機(jī)；發(fā)電機(jī)與調(diào)壓相關(guān)的故障。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)AVR故障、勵(lì)磁反饋信號(hào)故障時(shí)候，發(fā)電機(jī)將會(huì)出現(xiàn)過勵(lì)或欠勵(lì)的情況，導(dǎo)致在網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的無功分配不均，使正常工作的發(fā)電機(jī)出現(xiàn)無功過功率或者逆功率的現(xiàn)象，影響正常的發(fā)電機(jī)的運(yùn)行甚至停機(jī)。

綜上所述，電網(wǎng)采用閉環(huán)運(yùn)行，僅靠傳統(tǒng)的保護(hù)將不能使電站的安全性達(dá)到與分段運(yùn)行時(shí)一致的要求，即當(dāng)發(fā)生類似母排短路、接地或發(fā)電機(jī)故障的情況時(shí)，不能及時(shí)切除或者隔離故障，影響到其他正常的配電板、發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致全船斷電。要滿足DP-3對(duì)電網(wǎng)的要求，環(huán)形電網(wǎng)必須采取額外的保護(hù)措施。

4 閉環(huán)電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)

電站閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，為了滿足DP-3級(jí)動(dòng)力定位的要求，電網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行時(shí)候應(yīng)當(dāng)具有與分段運(yùn)行時(shí)一樣的安全性，即單個(gè)故障導(dǎo)致的最嚴(yán)重后果只允許失去一段配電板，一段配電板上的故障不能夠傳遞到其他健康的配電板，但是傳統(tǒng)的電網(wǎng)的綜合并不能滿足這個(gè)需求，因此需要額外的措施，可迅速檢測(cè)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)中的每個(gè)故障并隔離，其他正常運(yùn)行的設(shè)備能夠經(jīng)受故障所帶來的短時(shí)沖擊，當(dāng)故障切除后可繼續(xù)正常運(yùn)行，這些都需要一系列軟件和硬件的支撐。

4.1 電站保護(hù)

在閉環(huán)運(yùn)行的時(shí)候，所有配電板互聯(lián)組成一個(gè)整體，因此，為了避免由于單個(gè)配電板的故障影響到其他配電板正常工作，需要在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)切除故障，如隔離發(fā)電機(jī)或者配電板使其他正常的部分繼續(xù)工作。

4.1.1 母排短路保護(hù)

（1）母排差動(dòng)保護(hù)

圖3 母排差動(dòng)保護(hù)原理

（2）母排方向性過流保護(hù)

該保護(hù)通過使用GOOSE通信和控制邏輯實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，在每段配電板兩側(cè)的母聯(lián)開關(guān)處分別安裝三相電流互感器和三相對(duì)地電壓互感器。三相電流和三相對(duì)地電壓信號(hào)分別接入主、從母聯(lián)開關(guān)的綜合繼電保護(hù)中。母聯(lián)開關(guān)的綜合繼?？蓽y(cè)量三相電流的大小并判斷電流的方向。當(dāng)母排短路時(shí)，兩側(cè)的綜保能夠測(cè)量到短路電流和方向，在主母聯(lián)綜保中產(chǎn)生的逆向過電流報(bào)警信號(hào)通過GOOSE通信分送到從母聯(lián)綜合繼保中，從母聯(lián)繼保根據(jù)所接收到的方向性過流信息和自己產(chǎn)生的方向過流信號(hào)進(jìn)行比較，判斷出故障點(diǎn)，再通過GOOSE發(fā)出分閘指令同時(shí)分?jǐn)鄡蓚€(gè)母聯(lián)開關(guān)，隔離故障母排。為了減少短路故障對(duì)設(shè)備的影響，應(yīng)盡快切除故障，通常母聯(lián)開關(guān)的分?jǐn)嗉s為200 ms。在母聯(lián)開關(guān)分?jǐn)嗪蠹s150 ms發(fā)出指令分?jǐn)喟l(fā)電機(jī)開關(guān)。完全切斷故障的時(shí)間

t

< 400 ms， 方向性過流保護(hù)常常被用于母排短路的后備保護(hù)。

圖4 母排方向性過流保護(hù)原理

（3）母排弧光保護(hù)

母排弧光保護(hù)主要?jiǎng)幼饕罁?jù)母排短路時(shí)產(chǎn)生的弧光和電流增量。當(dāng)同時(shí)檢測(cè)到弧光和電流增量時(shí)發(fā)出分閘指令?；」獗Ｗo(hù)主要由弧光保護(hù)單元、I/O單元和弧光傳感器組成?；」鈧鞲衅骺砂惭b在開關(guān)設(shè)備所需要的位置實(shí)現(xiàn)分區(qū)保護(hù)?；」獗Ｗo(hù)單元能顯示故障發(fā)生位置?；」獗Ｗo(hù)原理簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，并能定位故障，常常作為獨(dú)立的母線短路保護(hù)。

圖5 母排弧光保護(hù)原理

4.1.2 電纜差動(dòng)保護(hù)

電纜差動(dòng)保護(hù)用于保護(hù)2個(gè)配電板之間的母聯(lián)電纜，電纜差動(dòng)保護(hù)基于電流的比較，在電纜兩端安裝電流測(cè)量裝置，他們之間可以通過通信相互獲取對(duì)方的測(cè)量值，與自己的測(cè)量值進(jìn)行比較，由于電纜兩端流過的電流是一致的，如果電纜兩側(cè)測(cè)量的電流值出現(xiàn)偏差將表明電纜某處出現(xiàn)故障（接地或者短路），電纜兩側(cè)的綜合繼電保護(hù)設(shè)備將啟動(dòng)將電纜隔離，切除故障。

圖6 電纜差動(dòng)保護(hù)原理

4.1.3 母排接地保護(hù)

母排接地保護(hù)通過方向性保護(hù)實(shí)現(xiàn)，如圖7所示，在配電板兩側(cè)母聯(lián)開關(guān)處安裝零序電流和零序電壓互感器并接入各自母聯(lián)開關(guān)的綜保，由綜合保護(hù)測(cè)量兩端母聯(lián)的方向性接地電流和零序電壓。當(dāng)發(fā)生母排接地故障時(shí)，兩側(cè)母聯(lián)綜保通過GOOSE通信獲取對(duì)方的逆向接地電流超限故障，結(jié)合兩端的方向性接地電流故障和零序電壓判斷出故障配電板，并分?jǐn)嗄嘎?lián)開關(guān)，同時(shí)也將該段母排上所有供電和饋電開關(guān)分閘實(shí)現(xiàn)故障配電板隔離。

圖7 母排接地保護(hù)原理

4.1.4 隱藏故障保護(hù)

那些沒能被檢測(cè)到的故障稱為隱藏故障，如開關(guān)的機(jī)械故障、脫扣電磁線圈的故障等，沒能及時(shí)被系統(tǒng)檢測(cè)到，當(dāng)出現(xiàn)這些故障時(shí)主保護(hù)系統(tǒng)拒動(dòng)或者不能切除故障點(diǎn)，需要啟動(dòng)備用的保護(hù)系統(tǒng)來隔離故障的設(shè)備或者系統(tǒng)。主保護(hù)和備用保護(hù)應(yīng)當(dāng)為完全相互獨(dú)立的，并應(yīng)當(dāng)采用不同的原理，但是應(yīng)當(dāng)有相同的功能可有效隔離或切除故障設(shè)備和系統(tǒng)。

閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需對(duì)所有元器件和系統(tǒng)認(rèn)真考慮隱藏故障的影響，其中包括硬件和軟件。盡管備用保護(hù)系統(tǒng)能夠避免隱藏故障帶來的影響，還是應(yīng)該采取必要的措施來盡可能減少隱藏故障，如系統(tǒng)自檢、回路監(jiān)測(cè)、通信監(jiān)測(cè)、一致性監(jiān)測(cè)等等。通過這些自診斷功能來盡可能消除影藏的故障。

4.1.5 發(fā)電機(jī)高級(jí)保護(hù)

發(fā)電機(jī)的某些故障是逐步惡化的，當(dāng)故障發(fā)展到一定程度時(shí)，會(huì)影響其他正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，可能造成全船斷電。為了避免這種情況發(fā)生，閉環(huán)電網(wǎng)要求為發(fā)電機(jī)配置高級(jí)保護(hù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和判斷故障，提前啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)并切除故障機(jī)，保持電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。發(fā)電機(jī)高級(jí)保護(hù)的主要功能包括：發(fā)電機(jī)調(diào)速特性和調(diào)速故障的快速監(jiān)測(cè)和隔離；發(fā)電機(jī)調(diào)壓特性和調(diào)壓故障的快速監(jiān)測(cè)和隔離；電站管理及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)自身的自診能力，如對(duì)傳感器和執(zhí)行器的診斷。

每個(gè)配電板配有發(fā)電機(jī)高級(jí)保護(hù)（如圖8所示），該系統(tǒng)測(cè)量電站的運(yùn)行狀態(tài)，包括功率、頻率、電壓等，由內(nèi)部發(fā)電機(jī)的模型估算出每臺(tái)發(fā)電機(jī)的有功功率、無功功率、頻率、電壓和勵(lì)磁電流等參數(shù)，同時(shí)與每臺(tái)發(fā)電機(jī)的實(shí)際測(cè)量參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)出現(xiàn)不一致的情況時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警并啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)，如果偏差值超過設(shè)定的限制值時(shí)，發(fā)電機(jī)高級(jí)保護(hù)將停止故障發(fā)電機(jī)。在環(huán)網(wǎng)模式下同步運(yùn)行時(shí)，即使出現(xiàn)電壓或頻率的控制故障時(shí)，發(fā)電機(jī)會(huì)出現(xiàn)逆功率或者過載情況，但是電壓和頻率的變化會(huì)很小，很難判別故障機(jī)；此時(shí)只有多于3臺(tái)發(fā)電機(jī)在線時(shí)通過表決的方式判斷故障機(jī)。發(fā)電機(jī)高級(jí)保護(hù)還配備了區(qū)域保護(hù)，當(dāng)配電板的電壓、頻率超過設(shè)定值時(shí)分?jǐn)嗄嘎?lián)開關(guān)隔離該配電板。

圖8 發(fā)電機(jī)高級(jí)保護(hù)

無論是有功還是無功相關(guān)的故障監(jiān)測(cè)，都要求響應(yīng)速度快。為此，發(fā)電機(jī)高級(jí)保護(hù)系統(tǒng)要求采用響應(yīng)速度小于100 ms的高速傳感器，如油門刻度，電壓、電流傳感器以及勵(lì)磁電流傳感器等。

4.2 故障穿越

當(dāng)發(fā)生短路等故障時(shí)候，將會(huì)導(dǎo)致高電流和低電壓等嚴(yán)重的故障發(fā)生，電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)將會(huì)快速的判斷故障并隔離故障，電網(wǎng)電流、電壓回到正常狀態(tài)。但是配電板閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，由故障導(dǎo)致的電網(wǎng)瞬態(tài)變化將會(huì)影響到整個(gè)配電系統(tǒng)，將會(huì)導(dǎo)致負(fù)載開關(guān)欠壓分閘；另外在短路故障被切除時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓的超調(diào)。為了滿足DP-3對(duì)電網(wǎng)的要求，電壓瞬時(shí)的變化不應(yīng)當(dāng)影響到DP相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行。

（1）發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)，如燃油泵，冷卻水等；

（2）推進(jìn)變頻器、變壓器、電機(jī)及其輔助系統(tǒng)；

（3）推進(jìn)器舵機(jī)及其負(fù)載系統(tǒng)；

（4）其他與動(dòng)力定位和電站相關(guān)的系統(tǒng)。

如果這些系統(tǒng)不在故障配電板所在的DP分組中，應(yīng)該具備故障穿越的能力，能夠在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后立刻恢復(fù)正常工作，不需要操作人員干預(yù)，不需要重新啟動(dòng)。電壓瞬時(shí)變化期間，推進(jìn)器的DP Ready信號(hào)正常，推進(jìn)器仍然在DP中，輔助系統(tǒng)電機(jī)啟動(dòng)器中主接觸器仍在吸合狀態(tài)，電壓恢復(fù)后所有電機(jī)立即恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。推進(jìn)變頻器為了實(shí)現(xiàn)故障穿越，在母排電壓下降期間需要維持直流側(cè)的電壓，如圖9所示。當(dāng)電壓降低到一定值時(shí)VFD開始限制輸出扭矩直到輸出轉(zhuǎn)矩直至為0，電壓繼續(xù)降低則利用推進(jìn)器慣性回饋能量以維持直流電壓，如果還進(jìn)一步降低到設(shè)定值時(shí)，VFD將封鎖脈沖直到電網(wǎng)電壓恢復(fù)，電壓回升到一定值后，VFD開始重新啟動(dòng)脈沖，電機(jī)恢復(fù)正常工作。DNV·GL對(duì)故障穿越的能力要求在實(shí)船短路測(cè)試中驗(yàn)證。

圖9 VFD的故障穿越

4.3 其他保護(hù)

減少變壓器合閘時(shí)的浪涌電流，為了避免大負(fù)載變壓器，如推進(jìn)器或者鉆井變壓器合閘時(shí)涌浪電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，造成可能發(fā)生的意外斷電，閉環(huán)系統(tǒng)要求對(duì)變壓器采用預(yù)充磁系統(tǒng)。當(dāng)然有些公司也采用發(fā)電機(jī)軟啟動(dòng)的方式，也能實(shí)現(xiàn)相同的目的。其他還有快速減載功能，斷電后的快速恢復(fù)功能以及對(duì)功率管理系統(tǒng)（PMS）的要求等。

5 結(jié) 語

本文介紹了DP-3閉環(huán)動(dòng)力定位系統(tǒng)目前的發(fā)展趨勢(shì)，分析了在DP-3鉆井平臺(tái)電力系統(tǒng)采用閉環(huán)電網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，以及傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在DP-3模式下采用環(huán)網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的問題，并針對(duì)這些問題提出了相應(yīng)的解決方案，概述了閉環(huán)電力系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)DP-3的閉環(huán)已經(jīng)有比較成熟的技術(shù)，目前主要存在問題是如何能夠更加準(zhǔn)確地判斷發(fā)電機(jī)故障，提高保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少故障對(duì)設(shè)備的損害等。環(huán)形電網(wǎng)目前在動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)上已經(jīng)開始應(yīng)用，并且成為第7代鉆井平臺(tái)的一個(gè)重要指標(biāo)。由于近些年市場(chǎng)低迷，新建的鉆井設(shè)施不多，但是預(yù)計(jì)未來閉環(huán)電站將會(huì)成為鉆井平臺(tái)的主流，甚至老舊的平臺(tái)也可能為了節(jié)能而進(jìn)行閉環(huán)的改造。